自旋阀包括局域自旋阀和非局域自旋阀两种类型。两种结构都需要使用至少两个独立的铁磁电极，与石墨烯一起构成石墨烯自旋阀器件。用一个铁磁电极向石墨烯中注入自旋极化电流，另一个磁性电极检测自旋。石墨烯因具有宏观尺度的自旋扩散长度、高载流子迁移率和栅压可调等特点，发现后不久便被人们迅速地应用到自旋电子学器件的研发中。2006年，E.W.希尔（Ernie W.Hill）等人首先用30纳米厚的FeNi合金作为铁磁电极加工了石墨烯局域自旋阀，在室温下观测到大约10%的磁电阻。2008年，王炜华和R.卡瓦卡米（R.Kawakami）等人用钴（Co，7纳米）/铁（Fe，7纳米）作为铁磁性电极，加工了多层石墨烯自旋阀，为了克服电导失配在铁磁性电极和石墨烯之间沉积了约2纳米厚的氧化镁（MgO）隧穿层。7开尔文温度下，在40纳米、30纳米厚的石墨烯中分别观察到9%及3.6%的磁电阻；1.7开尔文温度下，在10纳米厚的石墨烯中观察到2.7%的磁电阻。2012年，研究者（Bruno Dlubak和Pierre Seneor等人）在碳化硅外延的石墨烯上加工了局域自旋阀，得到了9.4%的磁电阻和超过100微米的自旋扩散长度。与此同时，基于石墨烯的非局域自旋阀的相关研究也在开展。2006年，N.汤布罗斯（Nikolaos Tombros）等人在单层石墨烯上实现了非局域的自旋输运试验，用Co电极作为自旋注入材料和1纳米氧化铝（Al₂O₃）作为隧穿层，发现室温下单层石墨烯中自旋扩散长度为1.5～2微米，自旋寿命约为100皮秒。